基于USB總線和89C51單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì).doc

論文題目：基于USB總線和89C51單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：所在院系：機(jī)電學(xué)院所學(xué)專業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù)教育導(dǎo)師姓名：完成時(shí)間：摘要本文介紹了基于USB總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的開(kāi)發(fā)法，包括數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)、USB總線的硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)也簡(jiǎn)單的介紹了設(shè)備固件設(shè)計(jì)、基于USB的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。89C51通過(guò)對(duì)多路采集模塊進(jìn)行控制,選出一路通道的數(shù)據(jù)寄存在單片機(jī)，再通過(guò)USB芯片將89C51采集到的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集，89C51，通用串行總線BasedontheUSBbusand89C51single-chipdataacquisitionsystemdesignAbstractThispaperintroducestheacquisitionbasedonUSBbus-baseddataacquisition,includingthedataacquisitionhardwaredesignandUSBbusofthehardwaredesign.AlsointroducesUSB-basedremotedataacquisitionsystemandfirmwaredesign.89C51selectsthewaydatastoragechannelinthesingle-chipbycontrollingmulti-channelmodule,andthenthedatacollectedby89C51uploadtothehostcomputer.throughtheUSBchipsKeyword:DataAcquisition,89C51Single-chip,UniversalSerialB目錄1引言.12總體方案設(shè)計(jì).12.1設(shè)計(jì)思路.12.2設(shè)計(jì)方框圖.13數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì).23.1模擬信號(hào)的多路選擇.23.2多路開(kāi)關(guān)原理.23.3A/D轉(zhuǎn)換介紹.33.3.1分辨率.33.3.2誤差和精度.43.3.3轉(zhuǎn)換速率.43.3.4A/D轉(zhuǎn)換的方法.43.4數(shù)據(jù)采樣電路.44單片機(jī)介紹.64.1單片機(jī)的基本組成.64.2單片機(jī)引腳及功能.65USB接口電路設(shè)計(jì).75.1USB芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu).85.1.1端點(diǎn)端點(diǎn)端點(diǎn)外部固件參考流程.95.2USB芯片與單片機(jī)的接口電路.105.3USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì).116應(yīng)用程序設(shè)計(jì).127設(shè)備固件設(shè)計(jì).138遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì).149結(jié)束語(yǔ).15致謝.15參考文獻(xiàn).15附錄一整體電路圖.17附錄二CH375芯片管腳.18附錄三程序清單.191引言在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究過(guò)程中，常常需要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，現(xiàn)在常用的數(shù)據(jù)采集方式是在PC機(jī)或工控機(jī)內(nèi)部安裝數(shù)據(jù)采集卡，如A/D卡、RS-422卡及RS-485卡。采集卡不僅安裝麻煩，易受機(jī)箱內(nèi)其他電路的干擾，而且由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。本設(shè)計(jì)利用通用串行總線(UniversalSerialBus，簡(jiǎn)稱USB)設(shè)計(jì)了基于USB總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備很好地解決以上這些沖突。2總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)主要包括三部分：數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)部分，單片機(jī)控制部分和USB設(shè)計(jì)部分。數(shù)據(jù)采集由多路模擬開(kāi)關(guān)、濾波采樣保持、隔離放大、A/D轉(zhuǎn)換、光電隔離器組成。單片機(jī)采用AT89C51。USB電路主要采用CH375芯片。單片機(jī)再?gòu)牡刂芳拇嫫髦邪l(fā)出地址控制信號(hào)經(jīng)光耦控制多路模擬開(kāi)關(guān)。多路模擬模擬開(kāi)關(guān)根據(jù)地址控制信號(hào)選擇一路信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換后送至單片機(jī)的移位寄存器。移位寄存器將采集到得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位并行是傳送到USB芯片的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中；一旦數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存滿，USB芯片自動(dòng)將數(shù)據(jù)打包即時(shí)請(qǐng)求讀入數(shù)據(jù),然后89C51系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀出，由收發(fā)器通過(guò)數(shù)據(jù)線(D+、D-)送至主機(jī)。2.2設(shè)計(jì)方框圖圖1設(shè)計(jì)方框圖光電隔離器多路模擬開(kāi)關(guān)單片機(jī)USB電路上位機(jī)濾波采樣隔離放大A/D轉(zhuǎn)換3數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)3.1模擬信號(hào)的多路選擇32路模擬電壓信號(hào)（如1-5V）送往多路模擬開(kāi)關(guān)組成的模擬數(shù)據(jù)選擇器，選擇控制信號(hào)決定其中1路模擬信號(hào)經(jīng)濾波、隔離放大、A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)镸位十進(jìn)制數(shù)據(jù)，存到單片機(jī)的移位寄存器中移位寄存器，單片機(jī)再將采集到得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位并行數(shù)據(jù)由USB接口電路送到上位機(jī)。當(dāng)?shù)刂肪€為8位是，最多可達(dá)2的8次方256路。如不采用數(shù)據(jù)選擇方案，則所需的隔離放大器、A/D轉(zhuǎn)換器也將多達(dá)256個(gè)4。3.2多路開(kāi)關(guān)原理多路開(kāi)關(guān)是切換數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的器件，也稱多路轉(zhuǎn)換器或多路復(fù)用器，記為MUX，能切換數(shù)字信號(hào)的多路開(kāi)關(guān)也稱數(shù)據(jù)選擇和數(shù)據(jù)分配器；能切換模擬信號(hào)的多路開(kāi)關(guān)也稱多路模擬開(kāi)關(guān)，模擬開(kāi)關(guān)同時(shí)也能切換數(shù)字信號(hào)。早期的多路開(kāi)關(guān)曾采用繼電器，但它有速度慢、體積大、噪聲大、使用壽命短等缺點(diǎn)。現(xiàn)在的數(shù)據(jù)采用電路中多采用集成的多路開(kāi)關(guān)，典型的多路開(kāi)關(guān)有4雙通道多路開(kāi)關(guān)、單8通道多路開(kāi)關(guān)、雙8通道多路開(kāi)關(guān)、單16通道多路開(kāi)關(guān)等。其中單8通道多路開(kāi)關(guān)典型的產(chǎn)品型號(hào)為CD4051，但由于它們是早期標(biāo)準(zhǔn)CMOS產(chǎn)品，性能已經(jīng)不能滿足控制系統(tǒng)的許多要求。AD公司的ADG658/659是CD4051/CD4052的改進(jìn)型?，F(xiàn)已ADG658/ADG659為例介紹其機(jī)構(gòu)和功能，ADG658/ADG659引腳圖如圖2所示,其功能見(jiàn)表1。圖2ADG658/ADG65引腳圖1S52S73D4S85S66EN/7VSS8GND9A210A111A012S413S114S215S316VDDADG6581S1B2S3B3DB4S4B5S2B6EN/7VSS8GND9A110A011S4A12S1A13DA14S2A15S3A16VDDADG659表1ADG658功能表A2A1A0EN/輸出DXXX1與輸入斷開(kāi)0000S10010S20100S30110S41000S51010S61100S71110S8ADG658有一個(gè)使能端EN/和三個(gè)選擇/分配控制端A2、A1、A0，S1-S8和D分別為多路開(kāi)關(guān)引出端，S1-S8既可作輸出，也可做輸入。S1-S8做輸入時(shí)，D做輸出。當(dāng)把ADG658視為8選1數(shù)據(jù)選擇器時(shí)，A2、A1、A0為選擇控制端，S1-S8做輸出，D為輸入：當(dāng)把ADG658視為1至8數(shù)據(jù)分配器時(shí)，A2、A1、A0為分配控制端，使能端EN/=1是，S1-S8與D之間斷開(kāi)。EN/和A2、A1、A0為邏輯信號(hào)輸入端，S1-S8與D之間可傳邏輯信號(hào)4。表2ADG659功能表A1A0EN/輸出DA輸出DBXX1與輸入斷開(kāi)與輸入斷開(kāi)000S1AS1B010S2AS2B100S3AS3B110S4AS4BADG659有一個(gè)使能端EN/和兩個(gè)選擇分配控制端A1、A0，S1A-S4A和DA、S1B-S4B和DB分別構(gòu)成4：1MUX,它同時(shí)受EN、A1、A0控制。3.3A/D轉(zhuǎn)換介紹3.3.1分辨率分辨率是用來(lái)表示ADC對(duì)于輸入模擬信號(hào)的分辨能力，也即ADC輸出的數(shù)字編碼能反映